Summary
I denna uppsats presenterar vi en ny automatiserad metod för att bedöma synskärpa hos spädbarn och småbarn med hjälp av ett ögonspårningssystem.
Abstract
Synskärpa mätning är ett viktigt visuellt funktionstest att utföra i spädbarn och barndom. Noggrann mätning av synskärpa hos spädbarn är dock svårt på grund av brister i deras kommunikationsförmåga. Denna uppsats presenterar en ny automatiserad metod för att bedöma synskärpa hos barn (5-36 månader gamla). Denna metod, den automatiska acuity card-proceduren (AACP), använder en webbkamera för ögonspårning och känner igen barns tittbeteende automatiskt. Ett tvåvalstest med företräde utförs när det testade barnet tittar på de visuella stimuli som visas på en högupplöst digital bildskärm. När det testade barnet tittar på stimuli spelas deras ansiktsbilder in av webbkameran. Dessa bilder används av det inställda datorprogrammet för att analysera deras tittbeteende. Med denna procedur mäts barnets ögonrörelsesvar på olika stimuli och deras synskärpa bedöms utan kommunikation. Genom att jämföra resultaten med gallerskärpan som erhållits av Teller Acuity Cards (TAC) anses AACP-prestanda vara jämförbar med TAC.
Introduction
Den infantila perioden är en kritisk period för visuell utveckling. Visuella problem som uppstår tidigt i livet kan ha en betydande inverkan på ett barns utveckling. Det är viktigt att kunna utföra en kvantitativ visuell bedömning hos spädbarn, vilket kan hjälpa till att upptäcka tidiga synproblem. Men eftersom spädbarn inte är kognitivt utvecklade eller uttrycksfulla nog att känna igen synskärpa diagramsymboler, såsom bokstäver eller diagram, är det svårt att mäta deras synskärpa. Den nuvarande guldstandarden för bedömning av spädbarnssyn är synskärpeproceduren1 baserad på preferenstestet2. Men eftersom denna metod kräver erfarna testare att bedöma synskärpa genom att observera barnets ögonrörelser3,4,5,6, begränsas den av testarnas erfarenhet 4,5. Därför förblir procedurer för synskärpekort, såsom Teller Acuity Cards (TAC)5,6, en subjektiv metod. Således finns det ett behov av en metod som kvantitativt kan mäta synskärpa hos spädbarn och småbarn, som kan användas utan behov av verbal kommunikation och som inte begränsas av att kräva erfarna testare.
Uppfinningen och användningen av den fjärrstyrda eyetrackern gjorde det möjligt att utveckla ett automatiserat mätsystem för synskärpa. I tidigare studier har ögonrörelsemetoder använts som verktyg för visuell funktionsutvärdering hos barn 7,8,9,10. En fjärr ögonspårare kan användas för blickspårning och ersätter en testares observation av ett barns ögonrörelser. ACTIVE procedur7 och AVAT procedur10 är helautomatiska synskärpetester med en fjärrstyrd eyetracker; de har gett jämförbara synskärperesultat med Keeler Acuity Cards-testet hos friska spädbarn och småbarn. Till skillnad från andra nya studier använde vi en webbkamera istället för en avlägsen ögonspårare för att fånga barnets blick. Vi uppfann en automatisk insamlingsmetod för ögonrörelsedata baserad på datorseende. Förfarandet kombinerade ögonrörelseförvärvsmetoden med den föredragna tekniken för att bedöma synfunktionen hos barn.
Denna uppsats syftar till att presentera en ny automatiserad metod som kan utvärdera synskärpa hos små barn, kallad automatiserad acuity card procedure (AACP). Denna procedur är särskilt användbar för spädbarn och yngre barn som ännu inte har förvärvat tillräcklig kommunikationsförmåga. Den viktigaste aspekten är att visuella svar kan kvantifieras för att ge gitterskärpa hos spädbarn och småbarn. Grating acuity mätning möjliggör detektering av visuella patologier och spelar en viktig roll i efterföljande medicinsk behandling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollet som beskrivs här godkändes av den etiska kommittén för Peking University First Hospital (PKUFH 2018-223). Förfarandena följde principerna i Helsingforsdeklarationen för forskning som betydde människor. Studieformatet beskrevs och informerat samtycke erhölls från deltagarnas föräldrar.
1. Förberedelse av apparaten
AACP-komponenterna sattes upp i ett milt upplyst testrum. Draperier drogs i rummet för att undvika störningar från solljus. Ett visningssystem, ett registreringssystem och ett analyssystem var de tre komponenterna i AACP (figur 1).
- Ställ in ett displaysystem, en 28-tums bildskärm med flytande kristaller (62,208 cm x 34,992 cm skärm, 3840 pixlar x 2160 pixlar, 0,162 mm / pixel, 30 Hz bildhastighet). Placera bildskärmen på ett bord som kan höjas. Linjärisera skärmens luminans med en 8-bitars uppslagstabell. Ställ in luminansen på 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 och 400 cd/m2 för svart, mellangrått respektive vitt.
- Placera två sidopaneler på vardera sidan av skärmen för att minska distraktioner för barnen som testas.
- Ställ in ett inspelningssystem, en högupplöst pro-webbkamera med en upplösning på 1080 pixlar / 30 fps.
OBS: Webbkameran registrerar bildsekvenser av testarnas beteenden, var och en beskuren med 1280 pixlar x 720 pixlar. Under automatiserad skärpa testning erhålls en tidsstämplad webbkamerabild var 200: e ms för synkronisering. - Anslut bildskärmen och webbkameran till en dator, analyssystemet. Se till att webbkameran är placerad i mitten, direkt under skärmen, och kan justeras efter behov.
OBS: Bildskärmen och webbkameran är antingen integrerade med datorn (en bärbar eller stationär dator) eller är separata enheter som sedan ansluts till en dator. - Installera AACP-procedurprogramvaran på datorn för presentation av stimuli och analys av ögonrörelser. AACP-procedurprogramvaran (China National Invention Patents, nr 201910865074.4 och nr 201510919621.4) består av en stimulansvisningsmodul, en visionstestmodul och en testresultatbehandlingsmodul.
- Ställ in de visuella stimuli som ett 12 cm x 12 cm fyrkantigt våggaller med olika period / grad (cpd) rumsfrekvenser och ett kontrastförhållande på 1,00. Se till att stimulansen visas slumpmässigt i mitten av den vänstra eller högra delen av skärmen och att resten av skärmen visar ett luminansmatchat grått område som liknar TACII.
OBS: Vid detektionsavståndet på 55 cm (vilket överensstämmer med TACII) var stimuli ungefär desamma (på grund av pixelstorleksbegränsningar) som de på tryckta TACII-kort (16 kort, 1/2 oktav).
2. Kalibrering av ögonspårning
- Inhämta informerat samtycke från föräldrarna och beskriv studieformatet för dem.
- Placera barnet på ett avstånd av 55 cm från bildskärmen. Låt barnet sitta ensam på en stol eller helst i förälderns knä. Om barnet sitter ensam, låt föräldern sitta bredvid barnet.
- Justera lyftbordets position och placera det med monitorn. Ordna skärmen vinkelrätt mot barnets ögon.
- Justera webbkamerans position för att säkerställa att barnets ansikte är synligt i inspelningssystemet och för att undvika att fånga andra ansikten än barnets.
- Innan du börjar proceduren, informera barnet om att de kommer att titta på skärmen. Instruera föräldern att uppmana barnet att titta på skärmen när barnet inte är uppmärksamt. Inga specifika instruktioner behövs under testet.
- Öppna programvaran för AACP-procedurer. Skriv in barnets information i programvaran (namn, kön, ålder).
- Klicka på Start-knappen . Programvaran startar kalibreringsproceduren. En GIF-bild (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 bildpunkter) visas mot den vita bakgrunden i mitten av skärmen (bild 2). Bilden och bakgrundsmusiken visas samtidigt. Denna stimulans presenteras i minst 3 s. Analyssystemet avgör samtidigt om barnets synfält är fixerat vid bilden. Om inga blickdata finns tillgängliga inom 1 min under denna presentation visar skärmen en annan tecknad GIF-bild. När blickkoordinater detekteras inom detta område startar testproceduren utan testarens åtgärder och körs automatiskt.
3. Förfarande vid provning
- Presentera det första gallret. Gallrens rumsliga frekvenser sträcker sig från 0,33-30,0 cpd i 1/2 oktavsteg. Bestäm det ursprungliga gallret efter barnets ålder, som i TACII-testet.
- Presentera det första gallret för 1 000 ms, vilket är längden på en rättegång. Presentera sedan en tom skärm för 200 ms. Presentera samma stimulans igen, följt av en tom skärm igen. Presentera gallret av samma rumsliga frekvens inställd tre gånger.
- Under utförandet av proceduren, låt webbkameran spela in barnets ansiktsbilder. Programvaran använder dessa bilder för att analysera deras tittbeteende. Syntestprogrammet kontrollerar ögonrörelsesvaren med de kriterier som anges i tabell 1 för att avgöra om stimulansen har setts (figur 3).
- Låt testresultatbehandlingsprogrammet presentera den efterföljande stimulansen enligt protokollet som visas i figur 411.
- Efter var tredje försök, presentera en GIF-bild (med bakgrundsmusik) som en visuell belöning för att upprätthålla barnets intresse. Om inga blickdata kan användas (t.ex. om barnet vände sig om eller hade slutna ögon) inom 1 min efter GIF-bildpresentationen, stoppa testet. Det här testet ger inget resultat.
- Efter att ha utfört steg 3.4 och 3.5, analysera gallerskärpan resultat för barnet utmatas av programmen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
AACP tillämpades på en grupp barn11: 155 som normalt utvecklar spädbarn och småbarn (5 till 36 månader gamla, baserat på graviditetsålder). I en tidigare publicerad studie jämfördes de resultat av gallerskärpan som erhållits av AACP med de som erhållits av TACII. Resultaten erhållna genom dessa två procedurer är signifikant korrelerade (r153 = 0, 83, p < 0, 001). Endast 10,32% (16 av 155) av barnens resultat skilde sig med mer än en oktav. Bland dem var åtta barn 5-7 månader gamla. Av dessa 16 barn hade tre synskärpa som erhållits av AACP som var 1,5-2 oktaver över de som erhållits av TACII. De övriga 13 barnen hade AACP-synskärpa 1,5-2 oktaver under TACII-synskärpa.
Gallerskärpan som uppmättes av AACP ökade gradvis när spädbarnsåldern ökade. Figur 5 visar förändringen i gallerskärpan mätt av AACP med förändringen i ålder i månader. Från 6 till 12 månader ökade gallerskärpan med nästan 0,5 oktaver. Från 12 till 24 månader ökade gallerskärpan med nästan en oktav. Från 24 till 36 månader ökade gallerskärpan med nästan 1,5 oktaver. Trenden för utvecklingen av synskärpa i denna studie överensstämmer med resultaten av synskärpa mätt med TACII i tidigare studier12. Det överensstämmer också med utvecklingen av synskärpa mätt med TACII i samma grupp spädbarn11.
Figur 1: AACP-apparatur. AACP-komponenterna och det rumsliga arrangemanget för deras installation i testrummet visas. Spädbarnet satt i en förälders knä och betraktade stimuli kikare på ett avstånd av 55 cm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Tecknad stimulans i kalibreringsförfarandet. Den tecknade stimulansen är en GIF-bild med bakgrundsmusik. Stimulansen lockar visuell uppmärksamhet. När barnets blick faller inom bildområdet ändras punkten från rött till grönt och kalibreringsproceduren utförs. Denna siffra har ändrats med tillstånd från Wen et al.11. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Gallerstimulans i testförfarandet. Gitterstimulansen är ett galler av vertikala svartvita ränder som presenteras på en likformig grå bakgrund. Blickpunkten för deltagaren som rör sig från mitten till den gröna fyrkanten indikerar att deltagaren har tittat på målet, vilket betyder en "träff". Blickpunkten för deltagaren som rör sig från mitten till det tomma området indikerar att deltagaren inte tittade på målet, vilket betyder en "miss". Det gröna fyrkantiga området har en halvsidig längd baserat på avståndet från stimulansens centrum till sidan av skärmen (dvs från mitten av stimulansen till skärmens vänstra kant i denna figur). Denna siffra har ändrats med tillstånd från Wen et al.11. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Det protokoll som används i AACP-förfarandet. Denna siffra har ändrats med tillstånd från Wen et al.11. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Låddiagram med gallerskärpa, plottade mot ålder (N = 155). Vita rutor med röda linjer och grå rutor med svarta linjer är gitterskärpor av AACP respektive TACII11 för var 6: e månad. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Kriterium | Kontrollera att blicksignalen: | |||
| Träff | förblev i målområdet kontinuerligt under mer än 400 ms av 1 000 MS-målpresentationen. | |||
| Fröken | (1) inte gick in i målområdet inom ett tidsfönster på 1 000 ms. (2) stannade kvar i målområdet mindre än 400 ms. | |||
Tabell 1: Kriterier för att fastställa om en stimulans har setts.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Flera studier 7,8,9,10 baserade på ögonspårningsmetoden har visat värdet av denna metod vid utvärdering av spädbarn och småbarn som har svårt till verbal kommunikation. Antalet deltagare i tidigare studier är dock relativt litet. Endast 30 spädbarn under 12 månader testades med ACTIVE-proceduren, som utvecklades av Jones et al.7. AVAT-förfarandet, som utvecklades av Vrabic et al.10, testade 35 spädbarn och småbarn på liknande sätt. I den aktuella studien testades ett stort urval av 5- till 36 månader gamla spädbarn och småbarn (N = 155) med AACP-proceduren och visade hög testbarhet och jämförbar synskärpa med TAC. Dessutom gör användningen av en webbkamera istället för en fjärrstyrd ögonspårare för att följa barnets blick AACP-utrustningen billigare och bekvämare att komma åt.
När spädbarn växer upp visar de ett ökande intresse för de olika stimuli i den omgivande miljön. Därför är det en utmaning för dem att upprätthålla samarbetet under testet. Att visa tecknade bilder i mitten av skärmen utformades för att locka deras uppmärksamhet, vilket liknar den AKTIVA proceduren7. Var tredje försök, innan gallerfrekvensen ändrades, presenterades en tecknad bild som en visuell belöning för att behålla barnets uppmärksamhet och locka blicken mot mitten av skärmen, vilket minskade felbedömningen av proceduren orsakad av att spädbarnets blick skiftade åt sidan. Dessutom användes två bifogade skärmsidopaneler för att minska distraktioner för spädbarn. I det vanliga TAC-testet i laboratorieinställningar13 visas synskärpa genom en rektangulär öppning på en grå skärm som innehåller anslutna sidopaneler. Vi ställer in skärmsidopanelerna för att minska störningarna i den omgivande miljön, men sidopanelerna kan demonteras för att anpassa sig till andra testmiljöer.
I den aktuella studien var digitala stimuli för AACP och tryckta stimuli för TAC kvadratvågsgaller, som har "kanteffekter". Kantartefakter vid korsningen av högfrekventa galler och isoluminant bakgrund ger potentiellt ytterligare visuella ledtrådar för barn, som förekommer i AACP- och TAC14-testerna . Men jämfört med pappersbaserade TAC är digitala stimuli mer flexibla. Gabor-modulerade stimuli kommer att användas i framtiden för att undvika kanteffekter. Kontrasten, storleken, frekvensen och andra egenskaper hos digitala stimuli är lättare att justera. Vid detektionsavståndet på 55 cm i denna studie varierade gallerens rumsliga frekvenser från 0,33 till 30,0 cpd. Om ett barn har mycket dålig synskärpa, till exempel under 0,33 cpd, kan deras faktiska synskärpa inte detekteras av AACP. I ytterligare studier kan olika frekvensområden ställas in med olika detektionsavstånd för att vara tillämpliga på barn med mer visuella förhållanden.
En annan begränsning av den befintliga metoden är att varaktigheten av en prövning, som är 1 s, är för kort för att vissa yngre spädbarn ska kunna urskilja gallret. Bland de barn vars synresultat skilde sig med mer än en oktav i AACP och TAC var hälften barn i åldern 5-7 månader. I framtida ansökningar kan olika provperioder ställas in för att anpassa sig till olika deltagares ålder. För närvarande kan föräldern observera barnets prestanda under testet. Om barnet misslyckas med testet på grund av rörelse eller trötthet kan testet upprepas.
AACP är en ny ögonspårningsmetod baserad på webbkameradata. Det kan användas för att utvärdera gallerskärpa hos spädbarn och småbarn, och resultaten är jämförbara med guldstandarden synskärpa test. Genom att endast kräva ögonrörelser som öppna indikatorer på respons kan AACP användas för att mäta synskärpa på ett helt automatiserat sätt. I framtiden, genom att ändra typerna av visuell stimulering, kan AACP användas för att utvärdera andra visuella informationsbehandlingsfunktioner tidigt i barns utveckling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har gjort följande avslöjanden: BK.Y., XQ.L., JS.C. och L.W.: China National Invention Patent "En metod och ett system för ansiktsdetektering och pupilllokalisering i kontinuerliga videoramar" (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. och L.W.: China National Invention Patent "Vision automatic testing system" (nr 201510919621.4).
Acknowledgments
Denna studie stöddes av Capital's Fund for Health Improvement and Research (nr 2018-2Z-4076) och Peking University First Hospital SEED Research Funds (2019SF31).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AACP procedure software | In-house | In-house | The AACP procedure software (China National Invention Patents, No. 201910865074.4 and No. 201510919621.4) comprises a stimulus displaying module, a vision testing module, and a testing result processing module. |
| Computer processor | Intel Corporation, Santa Clara, CA, USA | Intel CORE i7-6500U processor | Analysis system |
| Display monitor | InnoLux Co., Ltd., China | InnoLux M280DGJ-L30 | Display system |
| Webcam | Logitech International S.A., Lausanne, Switzerland | Logitech C920 high-definition pro webcam | Recording system |
References
- Teller, D. Y., McDonald, M. A., Preston, K., Sebris, S. L., Dobson, V. Assessment of visual acuity in infants and children: the acuity card procedure. Developmental Medicine and Child Neurology. 28 (6), 779-789 (1986).
- Teller, D. Y. The forced-choice preferential looking procedure: a psychophysical technique for use with human infants. Infant Behavior and Development. 2, 135-153 (1979).
- Preston, K. L., McDonald, M., Sebris, S. L., Dobson, V., Teller, D. Y. Validation of the acuity card procedure for assessment of infants with ocular disorders. Ophthalmology. 94 (6), 644-653 (1987).
- Mohn, G., vanHof-van Duin, J., Fetter, W. P., de Groot, L., Hage, M. Acuity assessment of non-verbal infants and children: clinical experience with the acuity card procedure. Developmental Medicine and Child Neurology. 30 (2), 232-244 (1988).
- Cavallini, A., et al. Visual acuity in the first two years of life in healthy term newborns: an experience with the teller acuity cards. Functional Neurology. 17 (2), 87-92 (2002).
- Clifford, C. E., Haynes, B. M., Dobson, V. Are norms based on the original teller acuity cards appropriate for use with the new teller acuity cards II. Journal of American Association for Pediatric Ophthalmology and Strabismus. 9 (5), 475-479 (2005).
- Jones, P. R., Kalwarowsky, S., Atkinson, J., Braddick, O. J., Nardini, M. Automated measurement of resolution acuity in infants using remote eye-tracking. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55 (12), 8102-8110 (2014).
- Hathibelagal, A. R., Leat, S. J., Irving, E. L., Nandakumar, K., Eizenman, M. Measuring infant visual acuity with gaze tracker monitored visual fixation. Optometry and Vision Science. 92 (7), 823-833 (2015).
- Barsingerhorn, A. D., Boonstra, F. N., Goossens, J. Saccade latencies during a preferential looking task and objective scoring of grating acuity in children with and without visual impairments. Acta Ophthalmologica. 97 (6), 616-625 (2019).
- Vrabič, N., Juroš, B., Tekavčič Pompe, M. Automated visual acuity evaluation based on preferential looking technique and controlled with remote eye tracking. Ophthalmic Research. 64 (3), 389-397 (2021).
- Wen, J., Yang, B., Li, X., Cui, J., Wang, L. Automated assessment of grating acuity in infants and toddlers using an eye-tracking system. Journal of Vision. 22 (12), 8 (2022).
- Leone, J. F., Mitchell, P., Kifley, A., Rose, K. A. Normative visual acuity in infants and preschool-aged children in Sydney. Acta Ophthalmologica. 92 (7), e521-e529 (2014).
- Clifford-Donaldson, C. E., Haynes, B. M., Dobson, V. Teller Acuity Card norms with and without use of a testing stage. Journal of AAPOS. 10 (6), 547-551 (2006).
- Robinson, J., Moseley, M., Fielder, A. Grating acuity cards-spurious resolution and the edge artifact. Clinical Vision Sciences. 3 (4), 285-288 (1988).
